آزمایش‌های آزمایشگاهی مکانیک خاک
فهرست مطالب آزمایش آزمایشگاهی خاك
مقدمه آزمایش آزمایشگاهی خاك
آزمایش آزمایشگاهی خاك با رعایت اصول و مباني آزمايشگاهي براي تعيين ويژگي هاي فيزيكي و مكانيكي خاك انجام مي شوند. روش ها و تكنيك هاي آزمايشگاهي در مكانيك خاك در مسائل حرفه اي مهندسي عمران بسيار پركاربرد بوده و جايگاه ويژه اي دارند.
در اين مقاله، مهمترين آزمون هاي مكانيك خاك که در آزمایشگاه خاک بر روی نمونه های تهیه شده در محل انجام می گیرند، به صورت مختصر مورد بررسي قرار گرفته است. برای هر آزمايش استانداردهاي به روز جهاني ارائه شده است و نحوه و شرايط انجام آزمايش به همراه پارامترهاي كليدي و نحوه محاسبات به اختصار بیان شده است.
آزمایش آزمایشگاهی خاک شامل روش های مختلف تجربی جهت تعیین ویژگی های خاک برای طراحی و ارزیابی های مهندسی است.
آزمایش ها برای به دست آوردن اطلاعات اولیه خاک مانند طبقه بندی خاک بر اساس روشهای طبقه بندی خاک مثل سیستم طبقه بندی خاک متحد یا یونیفاید (USCS)، توزیع دانه بندی خاک و ویژگیهای خمیری خاک و همچنین تعیین پارامترهای مورد نیاز خاک برای طراحی و ارزیابی زیرساخت ها از جمله ضریب نفوذپذیری، ضریب تراکم پذیری و مقاومت برشی توده خاک، مورد استفاده قرار می گیرند.
خلاصه آزمایش آزمایشگاهی خاك
1. آزمایش سه محوری (Triaxial Test)
آزمایش های سه محوری برای اندازه گیری پارامتر های برشی خاک انجام می شود. این آزمایش به سه شکل انجام می‌گیرد که شامل حالت تحکیم یافته زهکشی شده (CD)، حالت تحکیم یافته زهکشی نشده (CU) و حالت تحکیم نیافته زهکشی نشده (UU) می شود. این آزمایش جهت تعیین مقاومت برشی نمونه ای است که مدل بسیار خوبی برای خاک در محل می باشد. در عمل با اعمال فشار همه جانبه برابر نیروی همه جانبه در محل و افزایش نیروی محوری بر روی نمونه آن را شکسته و نیروی شکست و تغییر شکل در لحظه شکست را اندازه می گیرند. به این ترتیب پوش دوایر موهر کشیده می شود یعنی هم C و φ برای انواع آزمایش ها به دست می آید و هم رفتار خاک زیر بارگذاری مورد مطالعه قرار می گیرد.
2. آزمایش تک محوری (Unconfined Compression Test)
هدف این آزمایش اندازه گیری مقاومت خاک چسبنده در حالت طبیعی است. در آزمایش تک محوری نمونه بين دو فک دستگاه قرار می گیرد. یک عقربه مدرج بايد برای ثبت حرکت رو به بالای فک پايين دستگاه (يعنی برای ثبت ميزان فشرده شدن نمونه در حين آزمايش) متصل باشد. اين عقربه را بايد در ابتدای آزمايش روی صفر قرار داد. دستگاه به نمونه بار وارد می کند و تغيير شکل های نمونه ثبت می شوند. قرائت ها تا هنگامی انجام می شود که بار به نقطه اوجی رسيده و سپس کاهش يابد و يا بار به مقدار حد اکثری رسيده و بعد از آن تقريبا ثابت باقی بماند.
3. آزمایش حدود اتربرگ (Atterberg limits test)
شناسایی رفتار خاک به ازای درصد رطوبت های مختلف به وسیله انجام آزمایش حدود اتربرگ بر روی نمونه خاک انجام می شود. اين آزمايش به دو صورت تر به خشك و خشك به تر انجام مي شود. تعيين حدرواني، تعيين حدخميري و تعيين حد انقباض از نتایج این آزمایش هستند.
4. آزمايش هم ارز ماسه (Sand Equivalent Test)
نسبت ماسه به ريز دانه ها (سيلت و رس) در خاك عاملي مهم در عمليات خاكي و ساختماني محسوب مي شود، زيرا وجود ماسه زياد در مقايسه با ريزدانه در خاك، در زيرسازي راه ها و نيز در احداث سد هاي خاكي، باعث پايين آمدن درصد آب بهينه و رسيدن سريع تر خاك به حداكثر تراكم خود مي شود. در آسفالت نيز درصد بالاي ريزدانه موجب مصرف بيش تر نيرو و در نتيجه سست شدن و وارفتن آسفالت زير بارهاي وارد شده مي شود. نسبت ماسه به ريزدانه ها در ساخت بتن نيز بر مصرف آب، تراكم بتن و نفوذ پذيري و مقاومت در برابر هوازدگي اثر دارد. اصول آزمايش هم ارز ماسه به اين ترتيب است كه مقداري از نمونه مورد نظر را در استوانه مدرجي ريخته و به آن آب و مقداری مواد منعقد كننده اضافه مي شود. ماده منعقد كننده باعث مي شود كه ذرات رس در محلول منعقد شده و معلق بمانند. پس از مدت معيني ارتفاع درشت دانه ها كه ته نشين شده اند و ارتفاع تمام خاك در استوانه مدرج اندازه گيري مي شود نسبت اين دو ارتفاع هم ارز ماسه خواهد بود.
5. آزمایش دانه بندی با الک (Particle Size Analysis - sieve Analysis)
در آزمایش دانه بندی با الک ابتدا سری الک ها مورد نظر وزن می شوند و به ترتیب اندازه روی هم قرار می گیرند، مقداری بین نیم کیلوگرم تا یک کیلوگرم از نمونه خاک را روی بالاترین الک ریخته می شود و الک ها به وسیله شیکر می لرزند. برای الک کردن توسط شیکر اگر خاک درشت دانه باشد 5 دقیقه و اگر ریزدانه باشد 10 دقیقه زمان لازم است. سپس الک ها از دستگاه لرزاننده خارج می شوند تا دوباره وزن شوند و میزان خاک باقی مانده بر روی هر الک مشخص شود. میزان خطای اعمال شده تا 2% قابل اغماض است.
6. آزمایش دانه بندی هیدرومتری (Particle Size Analysis - hydrometer Analysis)
برای انجام آزمایش هیدرومتری خاک مقداری خاک را روی الک استاندارد شماره ۱۰ الک می کنند سپس ۵۰ گرم از خاک عبوری از الک شماره ۱۰ را با ۱۲۵ سی سی از محلول جداکننده داخل کاسه همزن ریخته و مخلوط می کنند. خاک باید ۱۶ ساعت در محلول خیس بخورد یا محلول را به ظرف مخلوط کن انتقال داده و برای مدت ۵ تا ۱۰ دقیقه مخلوط می کنند. سپس محلول را داخل یک استوانه مدرج می ریزند. استوانه مدرج حاوی خاک را به وسیله دست یا درپوش لاستیکی مسدود کرده و در مدت زمان ۶۰ ثانیه، ۶۰ بار به بالا و پایین حرکت می دهند تا به طور کامل مخلوط شود. سپس قرائت هیدرومتر در بازه های زمانی ۲، ۳، ۵، ۳۰، ۶۰، ۲۵۰ و ۱۴۴۰ دقیقه (که از آغاز ته نشینی خاک محاسبه می گردد) انجام می شود.
7. آزمایش برش پره (Vane Shear Test)
آزمایش برش پره برای اندازه گیری مقاوت برشی زهکشی نشده (Cu) رس های نرم تا نسبتا سخت استفاده می شود. استفاده از آزمایش برش پره (VST) در ماسه ها و حتی خاک های رسی حاوی ماسه به دلیل خطای زیاد توصیه نمی شود. با توجه به نوع پره ای که برای انجام آزمایش انتخاب می گردد، امکان ایجاد اصطکاک بین میله ها و زمین وجود دارد و عددی که عقربه گشتاور سنج در بالای چاه نشان می دهد شامل گشتاور لازم برای غلبه بر این اصطکاک نیز می باشد. باید تلاش گردد که این اصطکاک در حداقل مقدار خود باشد و نهایتاً مقدار آن هم به نحوی اندازه گیری شود. از طرف دیگر برای حداقل نمودن اثر دست خوردگی ناشی از نصب پره ها بهتر است فاصله انتهای گمانه از بالای پره ها بیشتر از ۴ برابر قطر گمانه باشد.
8. آزمایش تعيين چگالی ويژه (Specific Gravity of Soil Solids)
چگالي ويژه يا توده ويژه يك خاك يا Gs عبارت از نسبت وزن حقيقي حجم مشخصي از ذرات خاك به وزن حقيقي همان حجم آب مقطر در دماي 4 درجه سانتیگراد است. وزن مخصوص ويژه خاك اغلب براي ارتباط وزن به حجم خاك به كار مي رود. بنابراین با دانستن نسبت تخلخل (e)، درجه اشباع (Sr) و وزن مخصوص ويژه (Gs) مي توان وزن واحد حجم يك خاك مرطوب يا خشك را محاسبه نمود. وزن واحد حجم (چگالي) هر خاك، در مسائلي چون نشست و پايداري در مهندسي خاك استفاده مي شوند. هم چنين وزن مخصوص ويژه در محاسبات مربوط به بسياري از آزمون هاي آزمايشگاهي به كار گرفته مي شود. به عنوان مثال در آزمايش تراكم، استفاده از وزن مخصوص ويژه خاك ضروري است.
9. آزمایش نفوذ پذیری (Permeability Test)
به طور کلی خاک که به دلیل وجود فضاهای خالی مرتبط در داخل آن امکان جریان یافتن آب را از نقاط با انرژی بالا به نقاط با انرژی پایین فراهم می سازد، نفوذپذیر است. در مکانیک خاک بررسی جریان آب در داخل خاک نفوذپذیر دارای اهمیت است. این موضوع برای تخمین مقدار تراوش زیرزمینی در شرایط هیدرولیکی مختلف، جهت بررسی مسائل مربوط به پمپاژ آب در عملیات ساختمانی زیرزمینی و برای تحلیل پایداری سد های خاکی و سازه های نگهدارنده خاک تحت نیروهای تراوش ضرورت دارد. نفوذ پذیری امکان جریان آب از درون خاک اشباع است. نفوذپذیری زیاد بیانگر این است که آب با سرعت از درون حفرات خاک جریان می یابد. ضریب نفوذپذیری در آزمایشگاه با آزمایش هد ثابت (Constant head) یا هد افتان (Falling head) اندازه گیری می شود.
10. آزمایش تحکیم (Consolidation Test)
این آزمایش برای اندازه گیری پارامتر های مورد نیاز جهت اندازه گیری نشست انجام می شود. در آزمایش تحکیم می توان دو نوع متفاوت از نمونه را استفاده کرد، نمونه دست نخورده یا نمونه دست خورده. کیفیت نتایج به این بستگی دارد که نمونه های دست نخورده با چه دقتی به دست آمده، انتقال یافته، آماده سازی شده و در حلقه ادومتر قرار گرفته اند. هنگام کار کردن با نمونه خاک دست نخورده جهت اجتناب از ایجاد خطا در نتایج آزمایش باید دقت خیلی زیادی به خرج داد.
11. آزمایش باربری کالیفرنیا (California Bearing Ratio)
از این آزمایش در تعیین مقاومت برشي خاك در يك رطوبت و وزن مخصوص معين استفاده می گردد. این آزمایش به دو صورت خشک و اشباع قابل انجام است. چون آزمایش هایی مثل تراکم و باربری کالیفرنیا محدود به خاک هایی است که اندازه بزرگترین دانه آنها از 19 میلیمتر کوچکتر است در مورد خاک های درشت دانه ای که اندازه بزرگترین دانه آنها از 19 میلیمتر بزرگتر است ابتدا باید با الک کردن قسمت درشتر را از بقیه جدا نمود این عمل باعث می شود که دانه بندی خاک به هم بخورد. اگر به جای وزن آن مقدار از دانه های رد نشده از الک به نمونه خاک بخشی که دانه های آن بین ۵ تا 19 میلیمتر است اضافه شود دانه بندی به مقدار قابل توجهی اصلاح می شود.
12. آزمایش برش مستقیم (Direct Shear Tests)
آزمایش برش مستقیم برای شناخت ویژگیهای خاک و تعیین پارامترهای مقاومت برشی خاک استفاده می شود. آزمایش جعبه برش به دو طریق می تواند انجام شود، یا با کنترل تنش با مساوی بودن نیروی برشی، تغییر شکل را در مراحل مختلف اندازه می گیرند و یا با کنترل تغییر شکل، تغییر شکل ها را اعمال می کنند و نیروی برشی نظیر هرکدام را بدست می آورند.
13. آزمایش تراکم (Compaction Test)
آزمایش تراکم برای تعیین حد رطوبت بهینه و وزن مخصوص خشک بیشینه خاک پس از به کار بردن میزان معینی انرژی کوبشی، استفاده می شود. در این آزمایش باید میزان رطوبت نمونه ها طوری تنظیم شود که به طور تقریبی یک نمونه در میزان رطوبت بهینه متراکم شود، در حالی که دو نمونه با میزان رطوبت بالاتر و دو نمونه با میزان رطوبت پایین تر متراکم می شوند.
14. آزمايش تعيين وزن واحد حجم خاك به روش مخروط ماسه (Test Method for Density and Unit Weight of Soil in Place by Sand-Cone Method)
آزمايش تعيين وزن واحد حجم خشك خاك در محل، براي ارزيابي ميزان تراكم خاكريز صورت مي گيرد. تراكم مجموعه عملياتي است كه موجب افزايش وزن واحد حجم خاك در محل مي شود. افزايش وزن واحد حجم خاك بر اثر به هم فشرده تر شدن دانه ها و كاهش فضاي خالي ميان دانه اي است. البته حجم آب موجود در خاك بر اثر تراكم تغيير نمي كند و فقط از حجم هوا كاسته مي شود. درجه كوبش خاك بر اساس اندازه گيري وزن واحد حجم خشك آن مشخص مي شود. درجه كوبش خاك بر اساس اندازه گيري وزن واحد حجم خشك آن مشخص مي شود. اگر وزن واحد حجم ظاهري خاك و درصد رطوبت آن مشخص باشد، با استفاده از روابط وزن واحد حجم خشك خاك به دست مي آيد. اين وزن واحد حجم خاك كوبيده شده تابع جنس خاك، ميزان رطوبت و نيروي تراكمي است كه براي كوبيدن خاك صرف شده است.
اين روش براي خاكهاي آلي، خاكهاي اشباع با پلاستيسيته بالا كه در حين حفاري فشرده شده يا تغيير شكل ميدهند مناسب نيست. همچنين اين آزمايش را براي خاكهاي دانه اي سيمانته نشده كه امكان حفر گودالي با ديواره هاي پايدار در آن وجود ندارد نميتوان استفاده كرد. اين آزمايش روش بسيار مناسبي براي كنترل تراكم مصالح در اجراي خاكريزهاي بستر راهها، بدنه سدهاي خاكي، بستر سازي ها و اجراي كانالهاي انتقال آب مي باشد.
15. آزمایش تعیین pH خاک (Test for pH of Soils)
اندازه گیری pH نشان می دهد خاک چه مقدار اسیدی و یا بازی است. وقتی pH را آزمایش می کنید، میزان اتم های هیدروژن که بار مثبت دارند را اندازه می گیرید. هرچه غلظت یون های هیدروژن بیشتر باشد، نمونه اسیدی تر می شود و هرچه کمتر تر باشد، نمونه بازی تر است. چنین آزمایشی در کشاورزی، محیط زیست و زمین های منابع طبیعی استفاده می شود. pH خاک در تعیین قابلیت حل کانی های خاک، قابلیت تحرک یون در خاک و ارزیابی قابلیت زیست محیط خاک اهمیت دارد. برای تعیین pH خاک دو روش وجود دارد، استفاده از دستگاه pH متر یا استفاده از کاغذ pH.
16. آزمایش سوراخ سوزنی - شناسایی و طبقه بندی خاک های واگرا (Pinhole Test)
در این آزمایش خاصیت واگرائی (از هم گسیختگی، آب شستگی و فرسایش) خاک های رسی مستقیماً به وسیله عبور جریان آب از یک سوراخ کوچک ایجاد شده در نمونه آزمایش اندازه گیری می شود. با استفاده از نتایج آزمایش سوراخ سوزنی یا پین هول به سه روش مختلف رده بندی خاک های رسی واگرا انجام می شود. از نتایج این آزمایش برای بررسی احتمال وقوع پدیده Piping Failure در سدهای خاکی هموژن و فرسایش در طول کانال ها یا مخازن کانال ها استفاده می شود. در واقع آزمایش سوراخ سوزنی عمل و اثر عبور آب در طول یک ترک موجود در خاکریز را نمایش می دهد.
17. آزمایش نفوذسنج جیبی یا پنترومتر (Soil Pocket Penetrometer)
آزمایش نفوذسنج جیبی یا پنترومتر، آزمایشی کم هزینه و با تجهیزات ساده می باشد. این آزمایش را می توان هم به صورت درجا و هم داخل آزمایشگاه انجام داد. این ابزار قادر به اندازه گیری مقاومت برشی زهکشی نشده خاکهای چسبنده از 0 تا 2.5 کیلوگرم برسانتیمترمربع می باشد. دستگاه آزمایش پنترومتر جیبی دارای شاخصی است که به موجب فرورفتن میله پنترومتر جابجا شده و بر روی عدد موجود برمیله مدرج قرار می گیرد. با قرائت عدد موردنظر و تقسیم آن بر عدد دو مقدار مقاومت برشی زهکشی نشده خاک قابل محاسبه است. همچنین به منظور ارزیابی ناهمسانی در مقاومت برشی خاک و مقایسه مقادیر مقاومت برشی زهکشی نشده در دو راستای افقی و قائم می توان از این ابزار مناسب وکم هزینه استفاده نمود.